集中式无功功率补偿器的设计—-硬件电路设计【开题报告】

毕业设计开题报告测控技术与仪器集中式无功功率补偿器的设计—-硬件电路设计1选题的背景、意义我国互联电网已经进入了大电网、大机组时代，对电网质量和系统稳定的要求也日益提高，解决终端用户无功补偿设备综合控制的问题越显紧要然而目前我国绝大部分终端用户采用传统的补偿装置，控制方式落后，无法实现远距离和总体控制的要求提高补偿设备整体性效率和灵活性，是工作重点通过智能化电网建设，利用现代化通信技术，整合用户资源，实现终端的无功平衡，可有效地提高系统的功率因数，降低损耗，改善电网质量。

提高功率因数，合理地选择用电设备提高自然功率数外，广泛采用并联电容性负载的方法来补偿无功功率。

传统的方法是采用固定电容补偿方法，它仅使用于负载固定、无功功率相对稳定的静态用电装置；随着微机控制技术和半导体器件的发展，利用计算机对电网进行实时检测、控制，并根据无功功率的变化，自动切换补偿电容，可以准确、快速地实现动态无功补偿，达到降低消耗、改善供电质量之目的。

无功补偿技术的发展，他存在以下意义。

(1)补偿无功功率,可以增加电网中有功功率的比例常数(2)减少发,供电设备的设计容量,减少投资,例如当功率因数cosΦ=0.8增加到cosΦ=0.95时,安装1Kvar电容器可节省设备容量0.52KW;反之,增加0.52KW.对原有设备而言,相当于增大了发,供电设备容量.因此,对新建,改建工程.应充分考虑无功补偿,便可以减少设计容量,从而减少投资. (3)降低线损,由公式△P%=(1-cosΦ/cosΦ)X100%得出其中cosΦ为补偿后的功率因数,cosΦ为补偿前的功率因数则cosΦ>cosΦ,所以提高功率因数后,线损率也下降了.减少设计容量,减少投资,增加电网中有功功率的输送比例,以及降低线损都直接决定和影响着供电企业的经济效益.所以,功率因数是考核经济效益的重要指标,规划、实施无功补偿势在必行.在第一个工业用晶闸管出现之前，电子半导体由于功率过小，在直流传动，交流传动，电磁合闸，交流不间断电源和无功补偿等领域内一直没有得到应有的推广使用。

晶闸管的出现标志着电力电子技术的诞生，并以此为起点，随着半导体制造技术和变流技术的发展，新型的电力电子器件不断问世，由此引发了众多行业的变革，如交流变频调速技术的蓬勃发展。

同样电力电子技术对无功补偿技术也带来了新的发展锲机。

2相关研究的最新成果及动态2.1 无功补偿的基本原则电力用户补偿与供电企业补偿相结合，供电部门在电源点进行补偿与用户自身用电设备进行补偿，两者实现理想配合。

分散补偿与集中补偿相结合，以分散补偿为主高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主，实现区域电网内的无功分层、分压就地平衡降损与调压相结合，以降损为主，坚持降损节能的原则2.2 无功补偿的形式目前，国内电网采用的电容补偿技术主要是集中补偿与就地补偿技术。

就地补偿技术主要适用于负荷稳定，不可逆且容量较大的异步电动机补偿(如风机、水泵等)，其它各种场合仍主要采用集中补偿技术。

2.2.1 集中补偿集中补偿是把电容器组集中安装在变电所的二次侧的母线上或配电变压器低压母线上，这种补偿方法，安装简便，运行可靠，利用率较高，但当电气设备不连续运转或轻负荷时，又无自动控制装置时，会造成过补偿，使运行电压升高，电压质量变坏季节性用电较强空载运行较长又无人值守的配电变压器不宜采用。

2.2．2 分散补偿分散补偿是将电容器组分组安装在车间配电室或变电所各分路的出线上，形成低压电网内部的多组分散补偿方式，它能与工厂部分负荷的变动同时投切，适合负荷比较分散的补偿场合，这种补偿方法效果较好，且补偿方式灵活，易于控制。

2.2.3 个别补偿个别补偿是对单台用电设备所需无功就近补偿的办法，把电容器直接接到单台用电设备的同一电气回路，用同一台开关控制，同时投运或断开，俗称随机补偿这种补偿方法的效果最好，它能实现就地平衡无功电流，又能避免无负荷时的过补偿，是农网中对异步电动机进行补偿的常用方法。

2.3 无功补偿最新技术2.3．1 32位单片机应用技术现在的无功补偿控制器大都使用8位单片机进行控制，8位机的速度慢，存储容量小，不能实现高精度的测量，只能进行比较简单的控制，即将被淘汰。

使用32位ARM内核的单片机现在正如日中天，获得越来越广泛的应用，其价格已经很便宜，以至于用32位单片机制造的控制器的材料成本可能低于用8位单片机制造的控制器。

单片机应用于控制无功功率补偿具有软件编程灵活，通讯方便多样、运算快速、硬件接线方便等优点，在无功补偿方面的应用已经得到了极大的重视。

许多单片机在无功功率上有了充分的应用。

例如，MSP430系列单片机组成的智能无功补偿控制器具有极低的功耗、处理功能强大、丰富的片上外围模块，方便高效的开发方式。

智能无功功率补偿器有单片机、信号检测模块、输出模块、电容器组、LED显示模块等等模块组成。

实时监测电网的电压、电流，并计算出有功、无功、功率因数，根据用电负荷情况，通过复合开关控制电容器组的自动投、切，实现无功功率的动态补偿，且具有报警功能。

该装置安装在电力配电变压器低压侧，用于补偿配电变压器无功功率改善配电变压器的无功潮流，同时该装置也具有辅助调压的作用。

32位单片机的功能强大，运行速度快，存储容量大，可以实现高精度的测量与控制。

因此，使用32位单片机制造无功补偿控制器是无功补偿技术发展的必由之路。

32位单片机的唯一缺点是开发难度太大，一般的小公司不具备开发能力。

2.3．2谐波测量与保护技术现在的电网中，电力电子元件的使用越来越多，从而导致系统中的谐波电流含量越来越大。

无功补偿装置中的电容器对谐波电流非常敏感，很容易产生谐波放大导致电容器损坏。

大部分无功补偿装置中使用热继电器来保护电容器。

电容器属于电流稳定型元件，其电流只与电压和频率有关，与变压器的负荷电流无关，在电压正常没有谐波的情况下电容器不会过载。

在电压过高的情况下完全可以由控制器来实现保护功能，不需要由热继电器来实现保护功能。

在谐波超标的情况下，电容器会出现过载，虽然热继电器可以将电容器切除，但是如果控制器不能够测量谐波，那么就会继续投入新的电容器，出现新的过载现象。

如果热继电器设置在自动复位状态，则过一会被切除的电容器还会重新投入运行，继续过载状态，并且会干扰控制器的运行，因为控制器不知道哪些电容器已经被热继电器切除，哪些电容器电容器即将恢复运行。

如果热继电器设置在手动复位状态，则最终所有的电容器将统统被切除，在手动复位之前，即使谐波消失，电容器也无法重新投入运行。

因此，在谐波严重的情况下，热继电器的保护效果远不如控制器具有谐波保护功能效果好。

综上所述，无功补偿控制器具有谐波检测以及谐波过载保护功能，不仅可以观察系统中的谐波含量，还可以省略热继电器，即提高性能又节约成本。

2.3．3软件的可靠性设计技术现在的无功补偿控制器大都使用单片机来设计。

提到单片机的可靠性，人们几乎不约而同地会想到看门狗，其实看门狗只能保证单片机死机时可以产生一个复位信号，有了看门狗并不一定能够保证足够的可靠性。

计算机的死机相当于程序跑飞而进入了一个死循环。

而如果程序跑飞之后没有进入死循环而又返回到正常程序循环当中，那么就不会出现死机现象，于是看门狗就不会起作用，但是程序跑飞之后究竟干了些什么是不可预计的，因此软件的可靠性设计工作就是要保证在程序跑飞之后尽可能弥补程序跑飞造成的问题。

3课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标3．1 课题研究内容1.补偿器的总体方案2.单片机接口电路3.软件、硬件的设计3．2 拟采取的研究方法（技术路线）3.2.1 AT89C52单片机的硬件结构如图1所示，为AT89C52的硬件结构图。

AT89C52单片机的内部结构与MCS-51系列单片机的构成基本相同。

CPU是由运算器和控制器所构成的。

运算器主要用来对操作数进行算术、逻辑运算和位操作的。

控制器是单片机的指挥控制部件，主要任务的识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。

它的程序存储器为8K字节可重擦写Flash闪速存储器，闪烁存储器允许在线+5V电擦除、电写入或使用编程器对其重复编程。

数据存储器比51系列的单片机相比大了许多为256字节RAM。

AT89C52单片机的指令系统和引脚功能与MCS-51的完全兼容。

图1 单片机89C52结构框图3.2.2电源电路现在的单片机系统大部分都是采用市电220V，50Hz供电。

电网的冲击，频率的波动将直接影响到实时控制系统的可靠性，稳定性。

因此在单片机系统和市电之间必须配备稳压电源已经采取相应的抗电源干扰的措施，并采取一般的供电图2直流电源电路如图2所示，先用变压器把220V的电压变成12V的电压，12V的电压经过整流电路后变成12V的直流电压为继电器供电。

再使用7805把12V的电压转化为+5V的电压为单片机提供电源。

本电源系统在稳压电路7805后电源电路中我们使用了2个滤波电容，使用滤波电容主要目的是为了消除电源波动对系统的干扰，提高系统的抗干扰能力。

采用滤波电容能有效的消除电网电源波动产生的干扰。

3．3 研究难点（1）硬件设计时，应当充分考虑环境的影响，采取一定的抗干扰措施，抑制干扰产生或在干扰产生后进行有效地滤波等。

硬件的各个连接细节不可有轻微差错，否则结果将出现很大差别。

（2）软件设计时，要保证采集的数据准确，在计算过程中保证没有错算漏算，并能准确地显示数据。

3．4 预期达到的目标本课题的研究内容是利用单片机的特性，设计无功功率补偿器达到减少线路电能损耗的目的。

调整功率因数，使电力系统的功率因数大于0.95。

4研究工作详细进度和安排5参考文献[1] Ramasamy Natarajan（美）.Power System Capacitors，Taylor&Francis Group.LLC, 2005.[2] N Celanovic, D Voroyevich. A comprehensive study of neutral- pointvoltage balancing problem in three-level neutral-point-clamped voltage source PWM inverters.IEEE Trans.Power.Electron,2000,vo.l 15,no.2:242-249.[3]田茂文.单片机低压无功补偿控制器设计，2010/21[4]程启明.8098单片机控制的功率因数自动补偿器[J].电工技术杂志，1996，32(2)：23-26.[5]白振书. 无功功率补偿技术特性的应用，2010/07.[6]王守权，张薇.单片机控制功率因数自动补偿器[N].长春邮电学院学报，1998，16(3)：18-22.[7] 姚孟君.基于MATLAB仿真的无功补偿电容器投切控制研究[J].煤矿机电，2003.[8]王兆安.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京.机械工业出版社，1998.[9]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[J].中国电力出版社,2006,(1).[10]冯冰艳.提高功率因数的意义和方法[J].煤炭技术,2009,28(11):34-35.[11]Miu, K.N., and Chiang, H.D.: ‘Capacitor placement replacement and control in large-scale distribution systems by a GA-based two stage algorithms’, IEEE Trans., 1997, PWRS-12, (3), pp. 1160–1166[12] Berizzi, A., and Bovo, C.: ‘The use of genetic algorithms for thelocalization and sizing of passive filters’. Proc. 9th Int. Conf.Harmonics and Quality of Power,2000, Vol. 1, pp. 19–25[13]黄宇淇，孙卓，姜新建.FBD 法及复合控制在有源滤波器中的应用[J].电力系统自动化，2006，30（7）：65-68.[14]孙卓.电气化铁路新型电能质量调节器的研究[D].北京：清华大学，2004.[15]李晓峰.就地无功补偿的综合效益分析[M].2010.。